拉曼光谱在石墨烯结构表征中的应用

doi:10.6023/A13090936

摘要/Abstract

石墨烯是sp²碳原子紧密堆积形成的二维原子晶体结构，因其独特的结构与性质引起了科学家们的广泛关注. 拉曼光谱是一种快速而又简洁的表征物质结构的方法. 主要综述了拉曼光谱技术在石墨烯结构表征中应用的一些最新进展. 首先，在系统分析石墨烯声子色散曲线的基础上介绍了石墨烯的典型拉曼特征（G’峰、G峰和D峰），讨论了G’峰、G峰和D峰在石墨烯层数的指认和石墨烯边缘与缺陷态分析中的应用；然后，通过对石墨烯拉曼G峰和G’峰的峰位、峰型以及强度的分析，讨论了石墨烯的层间堆垛方式、掺杂、基底、温度和应力等对石墨烯的电子能带结构的影响；最后，介绍了石墨烯中的二阶和频与倍频拉曼特征以及石墨烯的低频拉曼特征（剪切和层间呼吸振动模），并讨论了其对石墨烯结构的依赖性.

关键词: 石墨烯, 拉曼光谱, 层数依赖性, 堆垛效应, 和频与倍频, 低频振动模

Graphene, a monolayer of carbon atoms packed into a two-dimensional crystal structure, attracted intense attention owing to its unique structure and optical, electronic properties. Raman spectroscopy is a quick and precise method in material science and has been employed for many years to investigate material properties. It can be used to investigate the electronic band structure, the phonon energy dispersion and the electron-phonon interaction in graphene systems. In probing graphene's properties, Raman spectroscopy is considered to be a reliable method. In this review, we highlight recent progress of studying graphene structure using Raman spectroscopy. First, on the basis of systematically analyzing the phonon dispersion of graphene, the typical Raman scattering features of graphene, such as G band, G' band, and D band, and the basic physical process are introduced. Using these Raman fingerprints, we can quickly and directly distinguish the layer thickness of graphene, determine the edge chirality and monitor the type and density of defects in graphene. Second, stacking disorder will significantly modify the optical properties and interlayer coupling stretch of few-layer graphene so that the Raman features of graphene will be strongly influenced not only in the G band intensity but also in the intensity, lineshape and the frequency of G' band. According to the peak position, width, and intensity of the Raman G band and G' band in graphene, we also discuss the influence of doping, substrate, temperature, and strain on the electronic structure of graphene. Finally, we introduce the second order overtone and combination Raman modes and the low frequency Raman feature (shear and layer breathing mode) in graphene, and discuss the dependence of these peaks on the structure of graphene.

Key words: graphene, Raman spectroscopy, layer dependence, stacking effect, overtone and combination mode, low frequency mode

引用此文

吴娟霞, 徐华, 张锦. 拉曼光谱在石墨烯结构表征中的应用[J]. 化学学报, 2014, 72(3): 301-318.

Wu Juanxiaa, Xu Hua, Zhang Jin. Raman Spectroscopy of Graphene[J]. Acta Chimica Sinica, 2014, 72(3): 301-318.

导出引用 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

分享此文

参考文献

[1] Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306, 666.

[2] Ling, X.; Xie, L. M.; Fang, Y.; Xu, H.; Zhang, H. L.; Kong, J.; Dresselhaus, M. S.; Zhang, J.; Liu, Z. F. Nano Lett. 2010, 10, 553.

[3] Morell, E. S.; Correa, J. D.; Vargas, P.; Pacheco, M.; Barticevic, Z. Phys. Rev. B 2010, 82, 121407.

[4] Geim, A. K.; Novoselov, K. S. Nat. Mater. 2007, 6, 183.

[5] Mermint, N. D. Phys. Rev. 1968, 176, 250.

[6] Ni, Z. H.; Wang, Y. Y.; Yu, T.; Shen, Z. X. Nano Res. 2008, 1, 273.

[7] Zhang, C. H.; Fu, L.; Zhang, Y. F.; Liu, Z. F. Acta Chim. Sinica 2013, 71, 308. (张朝华, 付磊, 张艳峰, 刘忠范, 化学学报, 2013, 71, 308.)

[8] Ling, X.; Zhang, J. Acta Phys-Chim. Sin. 2012, 28, 2355. (凌曦, 张锦, 物理化学学报, 2012, 28, 2355.)

[9] Du, X.; Skachko, I.; Barker, A.; Andrei, E. Y. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 491.

[10] Bolotin, K. I.; Sikes, K. J.; Jiang, Z.; Klima, M.; Fudenberg, G.; Hone, J.; Kim, P.; Stormer, H. L. Solid State Commun. 2008, 146, 351.

[11] Avouris, P.; Chen, Z. H.; Perebeinos, V. Nat. Nanotechnol. 2007, 2, 605.

[12] Yan, J.; Zhang, Y. B.; Kim, P.; Pinczuk, A. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 166802.

[13] Lee, C.; Wei, X. D.; Kysar, J. W.; Hone, J. Science 2008, 321, 385.

[14] Dai, J.; Lang, M. D. Acta Chim. Sinica 2012, 70, 1237. (戴静, 郎美东, 化学学报, 2012, 70, 1237.)

[15] Xu, H.; Wu, J. X.; Chen, Y. B.; Zhang, H. L.; Zhang, J. Chem. Asian J. 2013, 8, 2446.

[16] Gilje, S.; Han, S.; Wang, M.; Wang, K. L.; Kaner, R. B. Nano Lett. 2007, 7, 3394.

[17] Standley, B.; Bao, W. Z.; Zhang, H.; Bruck, J.; Lau, C. N.; Bockrath, M. Nano Lett. 2008, 8, 3345.

[18] Sun, D.; Aivazian, G.; Jones, A. M.; Ross, J. S.; Yao, W.; Cobden, D.; Xu, X. D. Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 114.

[19] Song, J. C. W.; Rudner, M. S.; Marcus, C. M.; Levitov, L. S. Nano Lett. 2011, 11, 4688.

[20] Liu, Y.; Cheng, R.; Liao, L.; Zhou, H. L.; Bai, J. W.; Liu, G.; Liu, L. X.; Huang, Y.; Duan, X. F. Nat. Commun. 2011, 2, 579.

[21] Gabor, N. M.; Song, J. C. W.; Ma, Q.; Nair, N. L.; Taychatanapat, T.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Levitov, L. S.; Jarillo-Herrero, P. Science 2011, 334, 648.

[22] Fang, N.; Liu, F.; Liu, X. R.; Liao, R. X.; Miao, L.; Jiang, J. J. Acta Chim. Sinica 2012, 70, 2197. (方楠, 刘风, 刘小瑞, 廖瑞娴, 缪灵, 江建军, 化学学报, 2012, 70, 2197.)

[23] Ferrari, A. C. Solid State Commun. 2007, 143, 47.

[24] Mafra, D. L.; Kong, J.; Sato, K.; Saito, R.; Dresselhaus, M. S.; Araujo, P. T. Phys. Rev. B 2012, 86, 195434.

[25] Kuzmany, H.; Pfeiffer, R.; Hulman, M.; Kramberger, C. Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A 2004, 362, 2375.

[26] Costa, S.; Borowiak-Palen, E.; Kruszynska, M.; Bachmatiuk, A.; Kalenczuk, R. J. Mater. Sci-Poland 2008, 26, 433.

[27] Ferrari, A. C.; Basko, D. M. Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 235.

[28] Ling, X.; Zhang, J. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 2835.

[29] Gupta, A.; Chen, G.; Joshi, P.; Tadigadapa, S.; Eklund, P. C. Nano Lett. 2006, 6, 2667.

[30] Malard, L. M.; Pimenta, M. A.; Dresselhaus, G.; Dresselhaus, M. S. Phys. Rep. 2009, 473, 51.

[31] Park, J. S.; Reina, A.; Saito, R.; Kong, J.; Dresselhaus, G.; Dresselhaus, M. S. Carbon 2009, 47, 1303.

[32] Ferrari, A. C.; Meyer, J. C.; Scardaci, V.; Casiraghi, C.; Lazzeri, M.; Mauri, F.; Piscanec, S.; Jiang, D.; Novoselov, K. S.; Roth, S.; Geim, A. K. Phys. Rev. Lett. 2006, 97, 187401.

[33] Graf, D.; Molitor, F.; Ensslin, K.; Stampfer, C.; Jungen, A.; Hierold, C.; Wirtz, L. Nano Lett. 2007, 7, 238.

[34] Voggu, R.; Das, B.; Rout, C. S.; Rao, C. N. R. J. Phys.: Condens. Matter 2008, 20, 472204.

[35] Lee, J.; Novoselov, K. S.; Shin, H. S. ACS Nano 2011, 5, 608.

[36] Das, A.; Chakraborty, B.; Sood, A. K. B. Mater. Sci. 2008, 31, 579.

[37] Ni, Z. H.; Liu, L.; Wang, Y. Y.; Zheng, Z.; Li, L. J.; Yu, T.; Shen, Z. X. Phys. Rev. B 2009, 80, 125404.

[38] Havener, R. W.; Zhuang, H. L.; Brown, L.; Hennig, R. G.; Park, J. Nano Lett. 2012, 12, 3162.

[39] Podila, R.; Rao, R.; Tsuchikawa, R.; Ishigami, M.; Rao, A. M. ACS Nano 2012, 6, 5784.

[40] Kalbac, M.; Frank, O.; Kong, J.; Sanchez-Yamagishi, J.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Jarillo-Herrero, P.; Dresselhaus, M. S. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 796.

[41] Poncharal, P.; Ayari, A.; Michel, T.; Sauvajol, J. L. Phys. Rev. B 2009, 79, 195417.

[42] Calizo, I.; Balandin, A. A.; Bao, W.; Miao, F.; Lau, C. N. Nano Lett. 2007, 7, 2645.

[43] Ni, Z. H.; Yu, T.; Lu, Y. H.; Wang, Y. Y.; Feng, Y. P.; Shen, Z. X. ACS Nano 2008, 2, 2301.

[44] Huang, M. Y.; Yan, H. G.; Heinz, T. F.; Hone, J. Nano Lett. 2010, 10, 4074.

[45] del Corro, E.; Taravillo, M.; Baonza, V. G. Phys. Rev. B 2012, 85, 033407.

[46] Yoon, D.; Son, Y. W.; Cheong, H. Phys. Rev. Lett. 2011, 106, 155502.

[47] Wang, Y. Y.; Ni, Z. H.; Yu, T.; Shen, Z. X.; Wang, H. M.; Wu, Y. H.; Chen, W.; Wee, A. T. S. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 10637.

[48] Cong, C. X.; Yu, T.; Saito, R.; Dresselhaus, G. F.; Dresselhaus, M. S. ACS Nano 2011, 5, 1600.

[49] Rao, R.; Podila, R.; Tsuchikawa, R.; Katoch, J.; Tishler, D.; Rao, A. M.; Ishigami, M. ACS Nano 2011, 5, 1594.

[50] Lui, C. H.; Malard, L. M.; Kim, S.; Lantz, G.; Laverge, F. E.; Saito, R.; Heinz, T. F. Nano Lett. 2012, 12, 5539.

[51] Cong, C. X.; Yu, T.; Sato, K.; Shang, J. Z.; Saito, R.; Dresselhaus, G. F.; Dresselhaus, M. S. ACS Nano 2011, 5, 8760.

[52] Thomsen, C.; Reich, S. Phys. Rev. Lett. 2000, 85, 5214.

[53] Wang, Y. Y.; Ni, Z. H.; Shen, Z. X.; Wang, H. M.; Wu, Y. H. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 043121.

[54] Yoon, D.; Moon, H.; Son, Y. W.; Choi, J. S.; Park, B. H.; Cha, Y. H.; Kim, Y. D.; Cheong, H. Phys. Rev. B 2009, 80, 125422.

[55] Ni, Z. H.; Wang, H. M.; Kasim, J.; Fan, H. M.; Yu, T.; Wu, Y. H.; Feng, Y. P.; Shen, Z. X. Nano Lett. 2007, 7, 2758.

[56] Roddaro, S.; Pingue, P.; Piazza, V.; Pellegrini, V.; Beltram, F. Nano Lett. 2007, 7, 2707.

[57] Casiraghi, C.; Hartschuh, A.; Lidorikis, E.; Qian, H.; Harutyunyan, H.; Gokus, T.; Novoselov, K. S.; Ferrari, A. C. Nano Lett. 2007, 7, 2711.

[58] Wang, H.; Zhou, Y.; Wu, D.; Liao, L.; Zhao, S. L.; Peng, H. L.; Liu, Z. F. Small 2013, 9, 1316.

[59] Wei, D. C.; Liu, Y. Q.; Wang, Y.; Zhang, H. L.; Huang, L. P.; Yu, G. Nano Lett. 2009, 9, 1752.

[60] Burgess, J. S.; Matis, B. R.; Robinson, J. T.; Bulat, F. A.; Perkins, F. K.; Houston, B. H.; Baldwin, J. W. Carbon 2011, 49, 4420.

[61] Grassi, R.; Low, T.; Lundstrom, M. Nano Lett. 2011, 11, 4574.

[62] Balog, R.; Jorgensen, B.; Nilsson, L.; Andersen, M.; Rienks, E.; Bianchi, M.; Fanetti, M.; Laegsgaard, E.; Baraldi, A.; Lizzit, S.; Sljivancanin, Z.; Besenbacher, F.; Hammer, B.; Pedersen, T. G.; Hofmann, P.; Hornekaer, L. Nat. Mater. 2010, 9, 315.

[63] Li, B.; Zhou, L.; Wu, D.; Peng, H. L.; Yan, K.; Zhou, Y.; Liu, Z. F. ACS Nano 2011, 5, 5957.

[64] Liao, L.; Song, Z. H.; Zhou, Y.; Wang, H.; Xie, Q.; Peng, H. L.; Liu, Z. F. Small 2013, 9, 1348.

[65] Ma, W. S.; Zhou, J. W.; Lin, X. D. Acta Chim. Sinica 2011, 69, 1463. (马文石, 周俊文, 林晓丹, 化学学报, 2011, 69, 1463.)

[66] Lai, C. W.; Sun, Y.; Yang, H.; Zhang, X. Q.; Lin, B. P. Acta Chim. Sinica 2013, 71, 1201. (来常伟, 孙莹, 杨洪, 张雪勤, 林保平, 化学学报, 2013, 71, 1201.)

[67] Eckmann, A.; Felten, A.; Mishchenko, A.; Britnell, L.; Krupke, R.; Novoselov, K. S.; Casiraghi, C. Nano Lett. 2012, 12, 3925.

[68] Casiraghi, C.; Hartschuh, A.; Qian, H.; Piscanec, S.; Georgi, C.; Fasoli, A.; Novoselov, K. S.; Basko, D. M.; Ferrari, A. C. Nano Lett. 2009, 9, 1433.

[69] Krauss, B.; Nemes-Incze, P.; Skakalova, V.; Biro, L. P.; von Klitzing, K.; Smet, J. H. Nano Lett. 2010, 10, 4544.

[70] You, Y. M.; Ni, Z. H.; Yu, T.; Shen, Z. X. Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 163112.

[71] Cancado, L. G.; Pimenta, M. A.; Neves, B. R. A.; Dantas, M. S. S.; Jorio, A. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 247401.

[72] Cancado, L. G.; Jorio, A.; Ferreira, E. H. M.; Stavale, F.; Achete, C. A.; Capaz, R. B.; Moutinho, M. V. O.; Lombardo, A.; Kulmala, T. S.; Ferrari, A. C. Nano Lett. 2011, 11, 3190.

[73] Lui, C. H.; Li, Z. Q.; Chen, Z. Y.; Klimov, P. V.; Brus, L. E.; Heinz, T. F. Nano Lett. 2011, 11, 164.

[74] Craciun, M. F.; Russo, S.; Yamamoto, M.; Oostinga, J. B.; Morpurgo, A. F.; Tarucha, S. Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 383.

[75] Lui, C. H.; Li, Z. Q.; Mak, K. F.; Cappelluti, E.; Heinz, T. F. Nat. Phys. 2011, 7, 944.

[76] Zhang, W. J.; Yan, J. X.; Chen, C. H.; Lei, L.; Kuo, J. L.; Shen, Z. X.; Li, L. J. Nat. Commun. 2013, 4, 2074.

[77] dos Santos, J. M. B. L.; Peres, N. M. R.; Castro, A. H. Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 256802.

[78] Wang, Z. F.; Liu, F.; Chou, M. Y. Nano Lett. 2012, 12, 3833.

[79] Luican, A.; Li, G. H.; Reina, A.; Kong, J.; Nair, R. R.; Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Andrei, E. Y. Phys. Rev. Lett. 2011, 106, 126802.

[80] de Laissardiere, G. T.; Mayou, D.; Magaud, L. Phys. Rev. B 2012, 86, 125413.

[81] Latil, S.; Meunier, V.; Henrard, L. Phys. Rev. B 2007, 76, 201402.

[82] Poncharal, P.; Ayari, A.; Michel, T.; Sauvajol, J. L. Phys. Rev. B 2008, 78, 113407.

[83] Ni, Z. H.; Wang, Y. Y.; Yu, T.; You, Y. M.; Shen, Z. X. Phys. Rev. B 2008, 77, 235403.

[84] Hwang, J. S.; Lin, Y. H.; Hwang, J. Y.; Chang, R. L.; Chattopadhyay, S.; Chen, C. J.; Chen, P. L.; Chiang, H. P.; Tsai, T. R.; Chen, L. C.; Chen, K. H. Nanotechnology 2013, 24, 015702.

[85] Kim, K.; Coh, S.; Tan, L. Z.; Regan, W.; Yuk, J. M.; Chatterjee, E.; Crommie, M. F.; Cohen, M. L.; Louie, S. G.; Zettl, A. Phys. Rev. Lett. 2012, 108, 246103.

[86] Yan, W.; Liu, M. X.; Dou, R. F.; Meng, L.; Feng, L.; Chu, Z. D.; Zhang, Y. F.; Liu, Z. F.; Nie, J. C.; He, L. Phys. Rev. Lett. 2012, 109, 126801.

[87] Carozo, V.; Almeida, C. M.; Ferreira, E. H. M.; Cancado, L. G.; Achete, C. A.; Jorio, A. Nano Lett. 2011, 11, 4527.

[88] Lu, C. C.; Lin, Y. C.; Liu, Z.; Yeh, C. H.; Suenaga, K.; Chiu, P. W. ACS Nano 2013, 7, 2587.

[89] Gupta, A. K.; Tang, Y. J.; Crespi, V. H.; Eklund, P. C. Phys. Rev. B 2010, 82, 241406.

[90] Xu, H.; Xie, L. M.; Zhang, H. L.; Zhang, J. ACS Nano 2011, 5, 5338.

[91] Xu, H.; Chen, Y. B.; Zhang, J.; Zhang, H. L. Small 2012, 8, 2833.

[92] Apostolov, A. T.; Apostolova, I. N.; Wesselinowa, J. M. J. Phys.: Condens. Matter 2012, 24, 235401.

[93] Zabel, J.; Nair, R. R.; Ott, A.; Georgiou, T.; Geim, A. K.; Noyoselov, K. S.; Casiraghi, C. Nano Lett. 2012, 12, 617.

[94] Narula, R.; Bonini, N.; Marzari, N.; Reich, S. Phys. Rev. B 2012, 85, 115451.

[95] Mohr, M.; Maultzsch, J.; Thomsen, C. Phys. Rev. B 2010, 82, 201409.

[96] Balandin, A. A.; Ghosh, S.; Bao, W. Z.; Calizo, I.; Teweldebrhan, D.; Miao, F.; Lau, C. N. Nano Lett. 2008, 8, 902.

[97] Cai, W. W.; Moore, A. L.; Zhu, Y. W.; Li, X. S.; Chen, S. S.; Shi, L.; Ruoff, R. S. Nano Lett. 2010, 10, 1645.

[98] Tsukamoto, T.; Yamazaki, K.; Komurasaki, H.; Ogino, T. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 4732.

[99] Kostic, R.; Miric, M.; Radic, T.; Radovic, M.; Gajic, R.; Popovic, Z. V. Acta Phys. Pol., A 2009, 116, 718.

[100] Wang, H.; Wang, Y. F.; Cao, X. W.; Feng, M.; Lan, G. X. J. Raman. Spectrosc. 2009, 40, 1791.

[101] Michel, K. H.; Verberck, B. Phys. Rev. B 2012, 85, 094303.

[102] Saha, S. K.; Waghmare, U. V.; Krishnamurthy, H. R.; Sood, A. K. Phys. Rev. B 2008, 78, 165421.

[103] Malard, L. M.; Guimaraes, M. H. D.; Mafra, D. L.; Mazzoni, M. S. C.; Jorio, A. Phys. Rev. B 2009, 79, 125426.

[104] Reich, S.; Thomsen, C. Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A 2004, 362, 2271.

[105] Eklund, P. C.; Holden, J. M.; Jishi, R. A. Carbon 1995, 33, 959.

[106] Yan, J. A.; Ruan, W. Y.; Chou, M. Y. Phys. Rev. B 2008, 77, 125401.

[107] Sato, K.; Park, J. S.; Saito, R.; Cong, C. X.; Yu, T.; Lui, C. H.; Heinz, T. F.; Dresselhaus, G.; Dresselhaus, M. S. Phys. Rev. B 2011, 84, 035419.

[108] Lui, C. H.; Heinz, T. F. Phys. Rev. B 2013, 87, 121404.

[109] Tan, P. H.; Han, W. P.; Zhao, W. J.; Wu, Z. H.; Chang, K.; Wang, H.; Wang, Y. F.; Bonini, N.; Marzari, N.; Pugno, N.; Savini, G.; Lombardo, A.; Ferrari, A. C. Nat. Mater. 2012, 11, 294.

[110] He, R.; Chung, T.-F.; Delaney, C.; Keiser, C.; Jauregui, L. A.; Shand, P. M.; Chancey, C. C.; Wang, Y.; Bao, J.; Chen, Y. P. Nano Lett. 2013, 13, 3594.